Massive Blasen im Zentrum der Milchstraße, verursacht durch ein supermassereiches Schwarzes Loch

Im Jahr 2020 machte das Röntgenteleskop eRosita Bilder von zwei riesigen Blasen, die sich weit über und unter dem Zentrum unserer Galaxie erstrecken.

Seitdem haben Astronomen über ihren Ursprung diskutiert. Nun deutet eine Studie, an der Forschungen der University of Michigan beteiligt sind, darauf hin, dass die Blasen das Ergebnis eines starken Aktivitätsstrahls des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße sind. Die Studie, erschienen in Naturastronomiezeigt auch, dass der Jet vor etwa 2,6 Millionen Jahren begann, Material auszuspucken, und etwa 100.000 Jahre überdauerte.

Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass Fermi-Blasen, die 2010 entdeckt wurden, und Mikrowellenschleier – ein Nebel aus geladenen Teilchen ungefähr im Zentrum der Galaxie – durch denselben Energiestrahl aus dem supermassereichen Schwarzen Loch gebildet wurden. Die Studie wurde von der National Tsing Hua University in Zusammenarbeit mit UM und der University of Wisconsin durchgeführt.

„Unsere Ergebnisse sind insofern wichtig, als wir verstehen müssen, wie Schwarze Löcher mit den Galaxien interagieren, in denen sie sich befinden, denn diese Wechselwirkung ermöglicht es diesen Schwarzen Löchern, kontrolliert zu wachsen, anstatt zu wachsen [growing] unkontrollierbar“, sagt der UM-Astronom Mateusz Ruszkowski, ein Co-Autor der Studie. „Wenn Sie an das Modell dieser Fermi- oder eRosita-Blasen glauben, die von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden, können Sie damit beginnen, diese tiefgreifenden Fragen zu beantworten.“

Es gibt zwei konkurrierende Modelle, die diese Blasen erklären, die Fermi- und eRosita-Blasen nach den Teleskopen genannt werden, die sie benannt haben, sagt Ruszkowski. Die erste legt nahe, dass der Ausfluss von einem nuklearen Starburst angetrieben wird, bei dem ein Stern in einer Supernova explodiert und Material ausstößt. Das zweite Modell, das die Ergebnisse des Teams unterstützen, legt nahe, dass diese Abflüsse von Energie angetrieben werden, die von einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie ausgestoßen wird.

Diese Ausflüsse aus Schwarzen Löchern treten auf, wenn sich Material auf das Schwarze Loch zubewegt, aber niemals den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs oder die mathematische Oberfläche, unter der nichts entkommen kann, überschreitet. Da ein Teil dieses Materials zurück in den Weltraum geschleudert wird, wachsen Schwarze Löcher nicht unkontrolliert. Aber die Energie, die vom Schwarzen Loch geworfen wird, verdrängt Material in der Nähe des Schwarzen Lochs und erzeugt diese großen Blasen.

Die Strukturen selbst sind 11 Kiloparsec groß. Ein Parsec entspricht 3,26 Lichtjahren oder etwa der dreifachen Entfernung, die das Licht im Laufe eines Jahres zurücklegt. Die Strukturen sind also fast 36.000 Lichtjahre hoch.

Zum Vergleich: Die Milchstraße hat einen Durchmesser von 30 Kiloparsec und unser Sonnensystem liegt etwa 8 Kiloparsec vom Zentrum der Galaxie entfernt. Die eRosita-Blasen sind etwa doppelt so groß wie die Fermi-Blasen und werden laut den Forschern durch die Energiewelle oder eine Stoßwelle ausgedehnt, die von den Fermi-Blasen ausgestoßen wird.

Astronomen sind an der Beobachtung dieser eRosita-Blasen besonders interessiert, da sie im Gegensatz zu Objekten in einer anderen Galaxie oder in extremer kosmologischer Entfernung in unserem eigenen galaktischen Hinterhof vorkommen. Unsere Nähe zu den Abflüssen bedeutet, dass Astronomen eine enorme Datenmenge sammeln können, sagt Ruszkowski. Diese Daten können Astronomen die Energiemenge im Strahl des Schwarzen Lochs mitteilen, wie lange diese Energie injiziert wurde und aus welchem ​​​​Material die Blasen bestehen.

„Wir können das Starburst-Modell nicht nur ausschließen, sondern wir können auch die Parameter fein abstimmen, die benötigt werden, um innerhalb dieses Modells des supermassereichen Schwarzen Lochs dieselben Bilder oder etwas sehr Ähnliches wie am Himmel zu erzeugen“, sagt Ruszkowski. „Wir können bestimmte Dinge besser eingrenzen, z. B. wie viel Energie hineingepumpt wurde, was sich in diesen Blasen befindet und wie lange die Energie injiziert wurde, um diese Blasen zu erzeugen.“

Was ist in ihnen? Kosmische Strahlung, eine Form hochenergetischer Strahlung. Die eRosita-Blasen umschließen die Fermi-Blasen, deren Inhalt unbekannt ist. Aber die Modelle der Forscher können die Menge an kosmischer Strahlung innerhalb jeder der Strukturen vorhersagen. Die Energieinjektion des Schwarzen Lochs blähte die Blasen auf, und die Energie selbst lag in Form von kinetischer, thermischer und kosmischer Strahlenenergie vor. Von diesen Energieformen konnte die Fermi-Mission nur das Gammastrahlensignal der kosmischen Strahlung nachweisen.

Karen Yang, Hauptautorin der Studie und Assistenzprofessorin an der National Tsing Hua University in Taiwan, begann als Postdoktorandin an der UM bei Ruszkowski mit der Arbeit an einer frühen Version des Codes, der bei der Modellierung in diesem Artikel verwendet wurde. Um zu ihren Schlussfolgerungen zu gelangen, führten die Forscher numerische Simulationen der Energiefreisetzung durch, die Hydrodynamik, Schwerkraft und kosmische Strahlung berücksichtigen.

„Unsere Simulation ist insofern einzigartig, als sie die Wechselwirkung zwischen kosmischer Strahlung und Gas in der Milchstraße berücksichtigt. Die kosmische Strahlung, die mit den Jets des Schwarzen Lochs injiziert wird, dehnen sich aus und bilden die Fermi-Blasen, die in Gammastrahlen leuchten.“ Sagt Yang.

„Dieselbe Explosion drückt Gas vom galaktischen Zentrum weg und bildet eine Schockwelle, die beobachtet wird, wenn die eRosita-Blasen sprudeln. Die neue Beobachtung der eRosita-Blasen hat es uns ermöglicht, die Dauer der Aktivität des Schwarzen Lochs genauer einzuschränken und besser zu verstehen vergangene Geschichte unserer eigenen Galaxie.“

Das Modell der Forscher schließt die nukleare Starburst-Theorie aus, da die typische Dauer eines nuklearen Starbursts und damit die Zeitdauer, in die ein Starburst die Energie injizieren würde, die die Blasen bildet, laut Co-Autor der Studie etwa 10 Millionen Jahre beträgt Ellen Zweibel, Professorin für Astronomie und Physik an der University of Wisconsin.

„Auf der anderen Seite sagt unser aktives Schwarzes-Loch-Modell die relativen Größen der eRosita-Röntgenblasen und der Fermi-Gammastrahlenblasen genau voraus, vorausgesetzt, die Energieinjektionszeit beträgt etwa 1 % davon oder ein Zehntel einer Million Jahre. “, sagt Zweibel.

„Die Injektion von Energie über 10 Millionen Jahre würde Blasen mit einem völlig anderen Aussehen erzeugen. Es ist die Gelegenheit, die Röntgen- und Gammastrahlenblasen zu vergleichen, die das entscheidende, bisher fehlende Stück liefert.“

Die Forscher verwendeten Daten von der eRosita-Mission, dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA, dem Planck-Observatorium und der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe.